2024年3月1日发(作者：)

DIY高准确度电压基准

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第一章 理论部分第一部分，概述电子电路的电压基准最早是用稳压二极管，利用了二极管反向击穿后的非常陡的雪崩电压特性来进行电压稳定，比如国产的2CW14。这类稳压管小电压的具有比较大的负温度特性，高电压的具有较大的正温度特性，稳定度和噪音也比较差。但由于结构简单、非常便宜，目前还广泛用于要求不高的场合。后来国内高精度的场合大量使用补偿的稳压二极管，用正偏二极管的负向温度系数抵消稳压二极管的正温度系数，2DW7C（后来改型为2DW232）是最典型的高精度的，温度系数小到0.005%/C，即50ppm/C。总体精度为0.1%级别的。再后来，能带隙（Bandgap）集成电路大量出现，比如最常用的LM385-1.2（温漂30ppm/C，电TL431（并联稳压），广泛用于各种电源和电子电路中。流范围大）、另外，伴随着方便且价廉的三端稳压器的大量使用（比如7805，温飘不到1mV/C，噪音大约80uV），使得电源供电水平大大提高。图1、2，一些常见的稳压管和基准（图上自左向右与表中从上到下对应）

图3，HP3456A

六位半万用表内基准板，用的就是LM399类型的基准（LT1826-1249-5）。据说HP3457A（6 3/4位万用表并可扩充到7又3/4位）内部基准与这个完全一样。

图4，从我的HP 34401A（6位半万用表）的维修手册中可以看到，电路图明确标明基准U403是LM399，而元件列表中的生产部件号正是1826-1249。第二部分，高精度电压基准器件但是，作为电压基准，是需要精确保存并复现电压值的，因此要求更高一些，比如：1、温度漂移要很低，比如10ppm/C以下，甚至1ppm/C温度是电压变化的大敌，为了对付温飘一般采用两种方法：A、补偿。有的用电路来补偿，高端的用数字方法，把器件的温度特性记录下来，然后烧到ROM里用D/A输出相反的信号来补偿，可以做到1ppm/CB、恒温。这是比较彻底的解决办法，大部分用片内恒温，也有的是片内提供加热和感温器件需要外部电路配合。也有的干脆做恒温器。2、长时间漂移（老化）要小，比如每年不变化不超过100ppm，甚至20ppm以下。而对于普通的稳压器件往往不规定老化指标解决老化的方法，主要是器件的制作工艺，比如深埋。另外，还要进行老化、筛选和选择适当的电路。3、噪音要低。高准确的电压设备（比如高精度万用表）分辨力高，如果噪音大，那么后几位将总在变动。这就象测量河水的水位，但水位一会儿高、一会儿低，就很难测准。

目前用的比较多的高精密的基准大多都是深埋型恒温的，比如：A、LM399，这个是恒温和稳压一体的，4脚TO46小金属封装，但外边套上一个白色塑料保温罩，比3DG12还要大一些。LM399广泛用于要求比较高的校准器、电压源和高档万用表里做基准，温度系数不大于2ppm/C（典型0.3ppm/C），稳定度大约每年20ppm（厂家指标每1000小时20ppm），噪音7uVp-p。HP广泛使用的6位半万用表，里面用的就是LM399。LM399的问题就是工作温度太高而且不可改变。由于外界温度接近恒温温度后恒温将失去作用，而为了抗恶劣环境，因此LM399把恒温温度设置到85C-90C。这样不仅功耗大，更重要的是老化严重，噪音也高。温度高带来的热电动势也高。当然，LM399也是不同的，有不同的厂家在生产，也有LM299、LM199，还有经过老化或筛选的LM299-20（表示1000小时老化不超过20ppm）等，特性也不太一样。B、LTZ1000，这个是目前最好的器件，是线性公司开发的高准确度基准，采用深埋技术达到高稳定度，同时片内集成了温度传感器和加热器，温度系数达到0.05ppm/C，而且由于控制部分在片外，因此恒温温度可以随意调节。稳定度每年3ppm（3σ），噪音1.2uVp-p，这个指标可以认为比LM399高了一个数量级，因此主要用于高准确度的标准发生器、电压基准和8位半万用表中。但是，好的器件还要求好的电路和好的使用环境。在HP/Agilent 3458A万用表中，由于出于工作环境的考虑，把工作温度设置为90度，因此特性受到影响，比如老化、噪音、开机重复性等指标都不是太好，以至于本来3ppm/年的基准器件，在万用表的电压稳定度指标上却是8ppm/年！数据手册：HYPERLINK "/pc/?navId=H0,C1,C1154,C1002,C1223,P1205,D3044"/223,P1205,D3044C、其它基准---我的Fluke 335D（10ppm准确度），里面用了德州仪器（Taxas）的一个黑色的体积比较大的恒温基准，没找到资料。---Datron公司生产的Zn21，电压9.8V，稳定度5ppm/年，国内有人在用。LM399，早期用4个LM399（其实有两只LM299）组装的电压基准。图1、这个是1997年年初做的，一直是我最好的标准，当时独出心裁想弄4个搞并联，增进稳定并减少噪音。后来在2000年到2003年，国内杂志上发现有用LM399和类似基准4只进行并联的报道。

LH0070-1和LM369DN，为了减少温度漂移，采用图2、早期做的“冷”基准。分别用LM329AH、微功耗设计。电源变压器的空载电流只有5mA。这个基准的最大优势就是不用预热，开机就可以用，并且由于发热非常小，使用很长时间也不漂移，并可以互相参照。

图3、Fluke 335D内部基准

图4、LTZ1000，等待使用。

图5、HP/Agilent 3458A八位半万用表内部基准板，也是采用LTZ1000

第三部分，计量部门用的最高级的固态电压基准电压基准最早用硫化镉（饱和）标准电池，标称电压1.018V，稳定度普通好一些的10ppm/年，更好的1ppm/年，而最好的控温标准（10只组）可以达到0.1ppm/年。标准电池的弱点是对温度变化敏感，不仅温度系数大（40ppm/C），而且一旦温度变化后，电压的变化有滞后且很难恢复，因此需要长期的高稳定度、高准确度的恒温。另外，标准电池不可倒置，怕晃动，因此不便于携带运输。1V左右的电压也有些低，使得接触热电动势的误差不容易克服。国际上80年代、国内90年代开始大量采用固体（半导体）标准，具有体积小，电压高（10V），携带运输方便等特点，准确度达到1ppm之内，好的（久经考验的、多组的）可以达到0.1ppm之内，短期特性更好，因此广泛做为地区标准和传递标准使用。之所以采用10V电压为基准，是因为10V附近的电压的质量最好，也容易测量，同时也是10的整数次幂，与常见的校准器、万

用表的基本量程接近。90年代后国际上电压基准采用了约色夫森结（JVS），这是一种低温量子效应的自然基准，只要有条件就可以独立复现，电压开始是10mV，然后很快增加到1V，最后固定在10V。准确度达到0.01ppm甚至更高。由于价格昂贵、运行费用高，因此一个国家也没有几套，主要做原始基准来校验各种次级标准。正因为JVS的出现，标准电池作为保持电压的基准的作用大大削弱，而固态基准的短期稳定性好，便于运输传递，因此标准电池日见淘汰。目前计量单位广泛采用的固态基准有：（这些基准都是10V为主，尽管有1V或1.018V，但为分压输出，指标差）A、4910是4个独立的基准放到一个机壳内，内部英国Datron公司的4910/4911/4912，1-2ppm/年。基准采用了Linear的LTZ1000CH，7V到10V升压采用了先进但复杂的PWM方式，生产于80年代到90年代，二手市场偶见。我目前（2007年9月）进了一台。B、美国Fluke公司从1983年开始生产的第一代老基准，732A，稳定性6ppm/年，后来新的732A有所改进指标提高到3ppm/年。（其实，Fluke还有更老的比如730A、731A，但性能一般，很少见）。我国曾进口很多，作为国家、各大区级别的电压基准，目前很多单位仍然在用。国际上用的也很多，但现在逐步被更好的基准淘汰，因此二手市场常见。Fluke公司自己的电压标准就从1984年从几十只饱和电池切换到4只732A保存（后来有更新）。我自己一直想进个二手的，毕竟这个是最流行的最经典固态基准，但一直头痛其巨大的体积（深度650mm！重量12.3kg），直到后来添置了仪器柜子后才买了一个。732A内部基准用的是Motorola的参考放大器SZA 263。C、Fluke公司的第二代基准，723B，1992年发表，稳定性为2ppm/年，现在仍然在生产，报价7万多，体积比732A小了不少（深度406mm，重量5.9kg），而且可以4只成组，年稳定性可达1.2ppm，国内也进口了不少组。无论是732A还是732B，其基准元件都是采用了深埋补偿型稳压管，通过内部的恒温槽来保证所需要的运行条件。并把其它关键器件（参考放大器、分压器）也密封在恒温槽里，这样的系统对温度变化尽管不敏感，但需要长时间通电保持（否则，断电恢复差异可达到0.5ppm之多），因为其基准器件也工作于高温，经受不起冷热的变化，使用条件比较严格。早期的732B仍然沿用SZA 263，但后期的改成了Linear公司的LTFLU-1作为基准。D、Fluke的第三代基准7000系列，最早是Wavetek公司收购Datron后利用其491x系列的技术于1998年开发7000系统，根据所配的数量（单：7000M，四个：7004N，十个：7010N）指标为1ppm-1.8ppm/年不等。这系统采用的核心基准器件就是LTZ1000，而且工作在相对低的温度：45度，所以对掉电不太敏感，而且采用所谓“退磁”技术，能够大部分恢复掉电前的状态。2000年Wavetek被Fluke收购，这个基准就带了过来成为Fluke的了，而且基本没有改动。这个系统体积比较小（深度290mm、重量2.1kg）。同时带过来的还有其8位半的1281万用表，这个本来我看好了深圳一家二手的，但找人去买的时候发现是坏的！Fluke在英国把1281改造成了目前世界顶级的8位半：8508A。以前Fluke还真的没有自己的8位半万用表。图1、Datron 4910，被认为是最稳定的固态基准（之一）。

图2、Fluke早期的732A，在其基准实验室，估计是在做基准、做测试、做老化、做样子。

图3、二手市场上的732A。价格一般700USD左右图4、Fluke后期的732B，4个松散组合成734A，报价27万到35万。

6，Fluke最新的7000系统，单个价格5万多，最多可以10个组成一套系统（紧密组合）图5、

Fluke近期的电压基准实验室。图6、前景稍微模糊的大罐子是约色夫森结基准，架子上还有10多个732A，而右下角部分已经被更小的732B替代了不少。架子上边有一套7000系统，右上角是低热电动势多路开关。

图7，10V固态电压标准比较表。（后面给出LTZ1000的典型/理想值，以及我自己的目标）

第四部分，我自己的计划A、以LTZ1000为核心，至少做10块相同的独立的电路（板），每块实现LTZ1000的最佳表现，组合起来达到更高的要求。按照统计原理，4个组合可以把稳定度和噪音指标提高1倍，9个组合可以成3倍。B、采用低温恒温，35度到40度之间，因此老化更小、噪音比指标还要好、掉电特性良好。（甚至可以采取常温恒温，即恒温在25度C，用半导体制冷/加热一体，以便取得更好的性能）温度漂移：0.05ppm/C（厂家指标）老化2μV/sqrt(kh)（厂家指标）（折算后为1.0ppm/年以下，9个组合后0.5ppm/年左右）噪音1.2μVp-p（厂家指标）（组合后0.4μVp-p，如果再加上降噪电路可进一步减少）。C、用PhotoMos做一组开关，利用计算机

+ USB-GPIB接口

+ 3458A +

自编软件，进行自动参数测试PhotoMos是一种性能优良的光电器件，类似光偶，有人叫光继电器。一边输入一个很小的直流电后，点亮了内部的LED，另一边有串联成组的光电池，把光转变成电压，驱动双向VMOS管，VMOS管具有开路漏电低（典型不到10pA）、则电路导通。开启后成阻性而无残压、导通电阻比较低的特点。有一款AQY212比较适合，导通电阻0.83欧。图解过程。鼻祖文章片段，1990年出自剑桥大学，LTZ1000出来不久后的测试结论。可以看到，温度越低

则稳定性越好。更主要的是，这个器件在相对低的温度下不怕频繁启停，而且老化也非常低，大多在1ppm/年之内。这篇文章还包含了比较系统的测试方法。

第二章 制作过程原始电路图（关键元件要求）这个电路来自LTZ1000的数据表，电路并不太复杂，很多元件都是LTZ1000内部的，关键元件为R1到R5，其中R1和R4/R5最关键，每100ppm的变化会导致输出1ppm的变化，而R2和R3就不那么严重。实际上，通过我的测试（附图补充中文部分），R1变化对系统影响不大（只有原说明的1/7），R3的变化也非常小（1/7），但R2的变化影响就超出原来的说明。因此，3458A万用表的基准，R2采用了普通电阻属于失策。没想到厂家的数据不仅没有任何余量，而且实际情况还要糟糕很多！而我在实际应用中，很关键元件选用RJ711，关键与比较关键的选线绕，不关键的R3我也选了线绕（实际完全可以选0.1%金属膜的）。步骤1，面包实验板电路，验证用，已经完成使命。通过实际装配和测试，得到了核心器件的随各种外界条件（环境温度、恒温温度、电源电压、绝热情况）稳定性等关键指标，也通过改变外围器件，确定了这些器件到底在什么程度上影响总

稳定度。这个电路由于受接触电阻、接触电动势、元件选择的影响，一个月来稳定度大约是10ppm。补充表格：输出电压最大和最小的差别为0.11mV，为15ppm，但那是发生在初期，大概是测试条件不是很理想（比如3458A的预热时间不够），到后来也很稳定了，每日变化大约1ppm，10天的变化3ppm。再补充表格：各电参数变化后对输出的影响。有些如厂家所言，但还有一些与厂家数据出入较大。

步骤2，万能板焊接，指标测试用。面包板的接触并不可靠，而且具有接触电动势，也不能模拟最终焊接时的实际情况，因此，这一步是必需的。通过测试，发现热噪音还是稍大，主要还是绝热不好，同时焊锡的热电动势大。因此，改造了布局，同时找到了低热电动势的焊锡的配方并制作完毕。通过对元器件的进一不测试，发现与手册上给的有较大出入，这个通过在面包板上的电路的复试也得到了确认，以次

指导关键元件的定做，而不关键的地方则可以采取普通元件。这个电路由于受到焊接电动势、个别元件选择以及没有绝热的影响，半个月来稳定度大约是3ppm。补充表格，看电压变化。第一部分为稍微高温的，因此总电流20mA左右，10天变化正负2.5ppm。第二部分是降低了温度，因此电流也减半，5天稳定度正负2ppm。应该注意，这个2ppm是基准与万用表的相对差异，因此也包含了3458A的变动或不确定度，而且大部分测量时，万用表并没有进行自动校准（ACAL，做一次需要18分钟）。再补充三张图，增加了10V输出（电路板、读数、电路图）。运放采用OP27EZ，其中E是最高等级的，失调电压典型10uV，最大25uV，变化不超过每月0.2uV，温飘典型为0.2uV/C（即0.03ppm/C，相对于7V而言）。2K（0.01%）、15分压电阻串，上面采用10k两只（0.01%）并联成5k，下面为10k（0.01%）、欧+15欧（0.1%）串联，其中一个15欧并联了可调部分（200欧并500欧后，串联500欧可调）。其中4只0.01%电阻的温度系数是筛选匹配的（到0.1ppm/C）。假设对10k要求是1ppm，那么对2k要求就降低为5ppm，对15欧的要求仅为700ppm，对可调电阻的要求就是7000ppm=0.7%了。

步骤3，制板并定做。用Protel SE99画的电路板，一共做了30块板，花了140元（其中开板费60元，加工费80元），比我想象的便宜，10天后到货。想想看，这板子的制作工艺还是很复杂的，钻不同位置、各种尺寸的孔，腐蚀，做金属化的透孔，上漆，印刷字母，等等。即便是数控床子，这些过程总要有的。可以看出，电路还是让我改了不少。比如电源电压从15V降低到9V（实际测试，9V时表现完全一样，因为只有运放和三极管直接用电，由于采用低温，则加热器也不需要那么高的电压了），增加了C6滤波，增加了一个补偿输出，R2和R3也采用定制的高稳定线绕电阻（75k），电路板打圈孔以便均温等。

元件的老化和筛选。元器件都是在生产出来开始使用时老化最厉害，越用老化就越小。因此，有意的提前老化就可以解决以后漂移大的问题。加温和冷冻循环是最常用的老化方法，实效法（就是长时间放置）也很有效但太费时了。以前参观过慈喜的陵墓，说是所用木料都是XXX木，而且都要存放数年以上，这样的建筑才不会变形。老化前先做记号，通过老化后改变很大的可以剔除掉，老化后特性还是不太好的也进行剔除。但核心器件LTZ1000就只能先老化，其特性的变化太小了，只能先装上电路，再慢慢测量了。以下是定做的部分电阻。其中最贵的是黑色的方型的0.5W的RJ711，26元/只，温度系数<5ppm/C。而那两只白字的稍小的是Vishay的样品，大约150元/只。其它都是线绕电阻，温度系数都要求是<10ppm的，有好几个类型温漂不满足都退了货。最下面的一管就是PhotoMos继电器，开路漏电实测<5pA，导通电阻<1欧（驱动电流1.2mA时）。

第2张图为xxx书中对RJ711的描述，第3张为RJ711实物，第4张为两只Vishay的10k和两只RJ711的10k的对比（L=0.01%）。最后一张为Vishay的电阻结构图，前半部分电阻体是白色的隔离空间是黑色的，可见右边的调整区（从最大的19%到最小的0.0005%）。后半部分电阻体是黑色的隔离空间是白色的。这种调整方法干脆（要么通要么断），不会像砂轮割槽那样会产生变化。RJ711的定购厂家为济宁正和：HYPERLINK "/cp_"/cp_

参考，3458A内部基准另一个方向，可以看到采用了三个高稳定度、低温飘（<2ppm/C）的Vish

ay电阻。Vishay这可惜的是，70k的R2和R3是普通电阻，而且这里其中一个可以采用普通电阻。类电阻非常厉害，最好的达到0.05ppm/C，最差的也是保证2ppm/C。我曾经想买一些，寻过价，最少定50只，每只41美金。2006-11-30补充图3、图4，拆了一个RJ711，在显微镜下看看内部。可以看到光刻排列，黑色的是电阻体，棕色的是露出的基体（不导电部分）。可以看出，下面一个大环实际上与上面对应部分并联，把这个大环刻掉，就只有单个电阻了因此增大了总电阻。大图中可以看到8个环，其中三个被刻掉。表面特性不好，是因为上面有一层防水胶。其实再上面还有一层软硅胶已经剥离（左下还留有部分）。

今天板子到了，下班后取了回来，晚间做装了10块板，全部一次通电合格。1、30块板，是鞍山一家做的，一共140元。

2、元件准备。其中高精度的几只电阻需要测试温度系数并配对。

3、成品板

4、成品板

5、成品板放大图。其中一个电阻需要精细调整后确定（自己用线绕），不想焊接再拆，因此用线暂时短路。

国内某计量部门的电压部门，选自《计量》pp89，老了一些，肯定是上个世纪的。其中：Fluke 752A是参考分压器，自校准，提供准确的1:10和1:100（0.2ppm和0.5ppm）。Datron 1071是英国的7位半万用表Fluke 845AR是Null DetectorSolartron 7081是英国的8位半万用表。南京有一家有卖二手的，是坏的。Fluke 5440B是多功能校准器。

这个是203所的电压基准（国家副基准）右边就是1V/10V JVS（约色夫森结电压基准，需要用液氦才能工作）中间的柜子从上到下是：HP/Agilent 3458A八位半万用表Fluke (?)Fluke 7000系列电压基准TEK2225示波器Guildline（加拿大高联）低热电动势多路扫描开关（32路）Fluke 734A电压基准（四个732B）在高准确度的电源中，噪音是不可忽略的一项指标。噪音有的用某频段（常用0.1Hz--10Hz）的峰峰值来表示，单位是uVp-p。也有用噪音功率密度来表示的，单位是nV/sqrt(Hz)

或者nV/(Hz)^(1/2)。噪音大的，在高准确度的万用表上，可以看到末尾几位数总是不稳定。

下面是一组测量结果，可以看到，几个电源基本上是10倍、10倍的差别。SS-330W，Daiwa开关电源，4-15V、30A，10000ppm级别（1%）VC3050DW，胜利实验电源，0-30V、0-5A，1000ppm级别（0.1%）ZZDM，东明电子邮购稳压电路板，15V输入二次稳压，100ppm级别（0.01%）IT6122，ITECH

高稳定度电源，0-32V、0-3A，10ppm级别LTZ1000，自装电压基准，0.5ppm级别不稳定的原因可能多种，比如电源电压变动、电路、干扰和噪音、基准不稳定、负载变化、热+温度变化等。这里的不稳定估计主要是电源电压的变动。到了最厉害的LTZ1000级别，因素就是基准和噪音了。

我的一些高准确度电阻。图1、左边的是Vishay的RCK02系列，具有0.6ppm/C典型温度系数，0.01%容差，稳定度25ppm最大每年。

右上是拆板电阻，0.005%，实测温度系数均在1ppm/C以下。右上也是从Fluke仪器里面拆的，0.005%，实测温度系数均在2ppm/C以下。其中N1.0就是-1ppm/C的意思，而P1.0是+1ppm/C的意思。这是Fluke的标准（这个在Fluke 335D和Fluke 720A里面都是类似的），用于配对。比如这两只电阻要是并联（再串联一个小WW可调），就可以得到非常稳定的10k电阻（<0.25ppm/C）这些电阻将用于以后的10V产生电路中。图2、3458A里面唯一用到的Vishay VHP101电阻，年老化达到惊人的2ppm！要知道，国内能买到的实验室电阻基准还是20ppm每年呢。说明：HYPERLINK "/docs/63003/"/docs/63003/图3、正因为有了这个电阻，其1uA电流档的温度系数是其它档的1/5。

电路各关键电阻变化对输出影响测量与分析。由于本器件设计的选择非常合理，因此，对电阻的依赖性大大减少。也可以从另外一个方面说明，利用普通的电阻就可以达到非常高的稳定程度。根据原厂家的说明，这种对外围器件的依赖至少降低到1/100，也就是说，任何一个电阻100ppm的变化，对输出的影响都在1ppm之内。厂家对R1、R4、R5做了这样的说明，因此Agilent采纳了LT的建议，把这三个电阻选择成Vishay合金箔，使得温度系数和稳定性非常高。但是，厂家对R2的影响估计不足，其实0.3ppm的变化不算太小被Agilent所忽略，但根据我的实际测量，影响在0.4ppm，因此R2我选择了线绕电阻。尽管R1的影响不是很大，但我还是选择了线绕电阻。这些线绕电阻都是特别定做并要求温度系数<10ppm/C的，实际测量在5ppm/C左右。另外，R3的变化对输出电压的影响非常小，因此采用了0.1%的金属膜电阻。

进度情况。后来又做了6片，一共16片。对这些电路进行测量和微调，发现还是有一些离散。然后做好双平均值电路。由于为了简单起见，还是采用单电源供电，这样的话就没有公共的测量地了，因此必须对各板进行双输出、双平均。高电位平均电阻采用100欧0.1%线绕，低电位平均采用3.92欧0.5%金属膜电阻。图1、器件离散情况。其中8片蓝黑的电压相近，因此为此处平均用。低电位的3只要做另外一小组。

图2、插装在平均板上。

图3、平均输出变动情况。可见短期稳定度在0.2ppm范围内（包含了3458A的不稳定度）。这基准（LTZ1000）最大的优势有两点：